The efficient micromanipulation for in vitro handling of gametes and embryos is a primary goal in assisted reproductive technologies (ARTs) for the treatment of human infertility. In this thesis, we developed microrobotic technologies that enables the manipulation and characterization of mammalian oocyte/embryo with microscopic resolution.
For continuous and fast cell transport and immobilization, an opened-channel microfluidic technology is presented that enables micromanipulation by the external access of micropipette. A through-hole mechanically punched open-chamber in the vicinity of the cell trapping junction allows a microtool-tip to reach trapped cells and freely operate on them. With simple construction and operating principle, consisting of a double-layer PDMS structure and operating by only hydrodynamic force, the proposed device acts as a microfluidic conveyer belt to sequentially introduce, retain, and collect cells with high efficiency in a continuous manner.
In addition, a robot-assisted micromanipulation using shared control is performed following immobilization, that allows dexterous micro-operative procedures to be performed on oocyte/embryo. Even if there is perfect teleoperation controller providing telepresence in micromanipulation, we still have the limited accuracy of a human operator. The proposed study, providing kinematic constraints to a user by the aid of a haptic feedback, shows superior task performance with high accuracy and time efficiency in micromanipulation tasks.
For the assessment of oocyte/embryo quality, the viscoelastic properties of zona pellucida (ZP), which is an extracelluar coat surrounding the eggs, are evaluated. There are few studies on changes in the ZP mechanical properties during oocyte maturation, fertilization, and early embryo development, and linear pure elastic models currently being used do not satisfy a time-dependent mechanical behavior of the ZP. Here, nonlinear viscoelastic characterization is performed using Hunt-Crossley model and the developed vision-based nano-force estimation method. The result shows that simultaneous increase in the stiffness and viscous parameters following fertilization, in which the embryo ZP are 2.57-folds and 4.44-folds greater than the oocyte ZP, respectively. This behavior well describes the non-covalently cross-linked filamentous structure of the ZP, supporting zona hardening during fertilization as a mechanically relevant event.
보조생식술이란 불임치료를 위해 체외에서 난자 및 정자 등의 생식세포를 다루는 모든 시술들을 일컬으며 관련 진단도구 및 시술에 대한 수요가 매년 10%씩 증가하는 추세이나, 매우 낮은 시술 성공률이 문제가 되고 있다. 이에 대해 외부자극에 취약한 생식세포의 체외시술간 발생하는 손상 및 노동집약적인 시술과정으로 인한 시술자의 역량이 성공률에 영향을 미친다고 보고되고 있다. 본 논문에서는 효율적이고 성공적인 보조생식술을 위한 마이크로 로봇 시스템 연구의 일환으로 미세유체역학 및 로봇기술을 이용한 난자 및 수정란의 미세조작 기술을 제안하였다.
먼저, 미세유체역학 기술을 이용한 세포운반장치를 개발하였다. PDMS를 이용한 공급/수집/고정/개방 채널로 이루어진 이중층 구조의 미세유체소자가 제작되었으며, 압력구배에의한 유동에 의해 난자 및 수정란의 빠른 이송 및 고정이 가능하다. 소자외부로부터 도구의 접근이 가능한 개방 채널을 통해 시술자는 미세유체소자 채널내에서 미세조작술을 수행할 수 있고, 개방채널을 통한 배양액의 유출을 방지하기 위하여 모터를 이용한 유체제어시스템을 통해 각 채널의 압력구배 및 유량을 능동적으로 제어하였다. 또한 본 연구는 미세유체역학 기술을 이용함으로써 세포에게 체내환경과 유사한 생리학적 조건을 제공할 수 있는 장점이 있다.
두번째로, 효율적인 단일 세포 조작을 위한 shared 제어 기술을 제안하였다. 일반적인 마이크로 단위의 미세세포조작은 제한된 시각 및 촉감 정보와 비직관적인 사용자 인터페이스 및 제한된 자유도의 구동기로 인한 작업효율 저하의 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 햅틱 피드백을 통한 운동학적 구속조건을 제공하여 사용자에게 요구되는 정밀도나 자유도를 줄여주어 작업수행을 단순화하고 조작성능을 향상 시키는 방법을 제안하였다. 이는 현미경을 통해 얻어진 영상정보로부터 재구성된 가상의 마이크로 환경으로부터, 조작도구 끝단의 위치와 구속조건에 따라 도구를 가이드하거나 밀어내는 힘을 계산한후, 임피던스 타잎의 햅틱장치를 통해 사용자에게 피드백 시켜주는 방식이다. 이를 통해 기존의 일반적인 미세조작방법에 비해 정확성 및 속도관점에서 작업 성능이 향상됨을 확인하였다.
마지막으로, 난자 및 수정란의 진단을 위한 세포의 기계적 물성치 추정방법을 제안하였다. 비선형 스프링-댐퍼 모델인 Hunt-Crossley 모델을 이용하여, 세포를 감싸는 외막인 투명대를 모델링하였으며, 영상을 이용한 힘 추정이 가능한 PDMS 마이크로 빔구조물을 제작한 후 난자와 수정란에 대한 인덴테이션 실험을 수행하였다. 이를 통해 얻어진 힘-변위 데이터로 부터 확장칼만필터를 이용해 최종적으로 투명대의 탄성계수와 점성계수를 추정하였다. 본 실험으로부터 난자 및 수정란이 이력현상을 보이는 점탄성 성질을 가지는 재료임을 확인하였으며, 이는 기존에 보고된 투명대의 고분자재료와 유사한 그물모양의 사슬구조로부터 기인함을 확인할 수 있었다. 또한, 수정후에 탄성계수와 점성계수가 모두 증가한다는 사실로부터, 투명대 경화현상이 기계적 물성의 변화를 야기하는 현상임을 알 수 있고 이는 사슬구조의 구조적인 변화로 부터 야기됨을 기존의 투명대 미세구조연구와의 비교를 통해 확인하였다.
